網訊：就像擁有完美對稱性的鉆石就是大放異彩的寶石一樣，量子世界現在也有了科學價值很高的對稱性體現。美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）的理論學家安娜·瑪麗亞·雷伊和實驗學者葉軍觀察到了原子的磁性性質——原子核自旋存在對稱性的首個直接證據。這項發表在《科學快訊》上的最新成果極具現實意義，例如，能讓科學家模擬并更好地了解表現出超導效應（電流無阻力）或龐磁電阻效應（在磁場作用下電流急劇變化）等性質的特殊材料。

　　要證明量子對稱性，需要觀察關鍵屬性能否在交換、旋轉或映像等各種狀態下保持不變，比如物質和反物質就表現出了基本的對稱性。研究人員使用了一個原子鐘來探測自旋對稱性。“自旋對稱性可對材料科學產生非常強烈的影響，因為它會導致量子物質出現很多意外的行為。”葉軍說，“我們的原子鐘性能非常好，使得我們能夠探究這種在非常小的能量尺度上的相互作用及其基本對稱性。”

　　據相關物理學家8月22日表示，該原子鐘由被激光囚禁的600到3000個鍶原子制成，鍶原子擁有10個合理的角動量，而這些會影響原子磁性行為的角動量是隨機分布的。研究人員分析了兩個電子能級上原子的相互作用，也就是原子的碰撞。這兩個電子能級受原子核自旋態的影響，代表了原子鐘的“滴答”。在大多數原子內，電子和核的自旋態是耦合的，因此原子的碰撞同時受電子和核的狀態支配。但JILA的團隊預測并證實了，在鍶原子中，這種耦合會消失，碰撞不由核的自旋態決定。

　　在原子鐘內，所有原子的電子態都趨同。研究人員使用激光和磁場來操控核自旋，并觀察到，不論角動量是多少，當兩個原子具有不同的核自旋態，它們會始終以相同的強度猛烈碰撞；而如果核自旋態相同，它們的碰撞會弱得多。

　　“此處的自旋對稱性意味著，原子的相互作用在其最基本層面上是與核自旋態無關的。”葉軍解釋說，“但有趣的是，雖然核自旋并不直接參與電子介導的相互作用過程，但它仍然控制著原子在物理上如何彼此接近。這意味著，通過將兩個原子的核自旋調整為相同或不同，我們可以控制原子的相互作用。”

　　這項新研究加深了對JILA此前實驗記錄的原子鐘內原子碰撞的理解。正在規劃的下一步實驗將設計特定的自旋條件，以探究一個大的原子集合的量子動力學。

　　人們對原子核的探索已有百年歷史，在其組成問題得到解決后，研究就轉向了對結構的分析，進而從中了解原子的性質。不過，一些重要的量子力學性質，如“自旋對稱性”，可以在理論學家那里得到預言，但在實驗中找到直接證據卻很困難。如今的成果正是在試圖解釋原子性質并揭示其背后的物理機制，這需要理論派和實驗派的共同努力——將微觀世界的最深層次還原成一個盡可能清晰的物理圖像。